JPH06178046A - 固体撮像素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 オフセット電圧のバラツキの影響が小さく、
リニアリティが良い固体撮像素子を提供する。 【構成】 本発明の固体撮像素子は、被写体からの光を
画素ごとに電流に変換する複数のフォトダイオードと、
フォトダイオードごとに設けられ、リセット状態からフ
ォトダイオードの電流を積分して電圧として出力する複
数の積分回路部と、積分回路部のリセット状態の出力電
圧と積分した出力電圧との差を増幅して出力する信号後
処理回路と、積分回路部の出力を順次選択し、信号後処
理回路に出力するとともに積分回路部をリセットする制
御回路部とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の受光素子で構成
され、被写体からの光を画像信号に変化するためのイメ
ージセンサに関し、特に、密着型イメージセンサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】シリコンフォトダイオードなどの受光素
子は、多種の民生品に利用され、例えば、ファックスな
どの読み取り用に一般に使用されている。近年、光学系
を省略し、イメージセンサを原稿に近接させて読み取ら
せようとするものがあり（密着型イメージセンサ）、こ
のようなイメージセンサを用いることで装置が小形化す
るなどの利点がある。

【０００３】一般的に、ｆａｘなどの原稿読み取り装置
について密着型イメージセンサを使用する場合、対象画
像を近接して１対１で読み取ろうとするため、各フォト
ダイオードの画素面積は世間一般にビデオカメラなどで
使用されているＣＣＤよりも、非常に大きい。このた
め、従来のＣＣＤ方式は、原理的に転送電荷量に制約が
ある。そのため、密着型イメージセンサを構成するに
は、各フォトダイオードにＭＯＳＦＥＴによるソースフ
ォロワ回路を設け、この回路で読み出す、という方式が
ある。一方、例えば、特開平３−１４３１５９にあるよ
うに、ソースフォロワ回路にかえて各フォトダイオード
に積分器を設ける、というものがある。この方式では、
各積分器で各フォトダイオードの光電流を積分し、得ら
れた信号をシフトレジスタによりスキャンして一本の出
力信号用の配線（ビデオライン）から画像信号（ビデオ
信号）が出力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常積分器は反転増幅
器で構成され、イメージセンサのような画像信号を扱う
場合、この増幅器には低い周波数、特に直流の増幅が可
能なものが望ましい。ＯＰアンプにもみられるように、
直流の増幅が可能な増幅器では入力が０Ｖである場合必
ずしも出力０Ｖにはならずオフセット電圧がある。その
ため、積分器の出力にはオフセット電圧があらわれる。

【０００５】上述のように、各フォトダイオードに積分
器を設けた場合、各積分器の出力にはオフセット電圧が
あらわれる。このオフセット電圧は、積分器を構成する
増幅器のバラツキによって違ったものになり、これがス
キャンして画像信号として出力される。オフセット電圧
が一定ならば問題は少ないのであるが、異なったもので
あるため、出力の画像信号にはスキャンされる積分器に
応じて電圧が変化し、ノイズが加わっているのと同じこ
とになる。増幅器のバラツキは、宿命的なものであるの
で、多数の積分器すべてについてオフセット電圧を一定
にするのは非常に難しいものになっている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の固体撮像素子は、被写体からの光を画素ご
とに電流に変換する複数のフォトダイオードと、フォト
ダイオードごとに設けられ、リセット状態からフォトダ
イオードの電流を積分して電圧として出力する複数の積
分回路部と、積分回路部のリセット状態の出力電圧と積
分した出力電圧との差を増幅して出力する信号後処理回
路と、積分回路部の出力を順次選択し、信号後処理回路
に出力するとともに前記積分回路部をリセットする制御
回路部とを備える。

【０００７】制御回路部は、積分回路部が一斉に所定の
時間リセット状態から電流を積分した後、積分回路部の
積分した電圧を順次選択し、信号後処理回路に出力する
ことを特徴としても良い。

【０００８】積分回路部は電流を積分するためのコンデ
ンサを有し、このコンデンサは電極で絶縁体を挟みこむ
構造を有することを特徴としても良い。

【０００９】

【作用】本発明の固体撮像素子では、被写体からの光
は、フォトダイオードで画素ごとに電流に変換され、こ
の電流は各積分回路部でフォトダイオードごとに積分さ
れて電圧に変換される。この積分回路部の出力が順次、
選択されて信号後処理回路に出力され、そののち積分回
路部はリセットされる。積分回路部のリセット状態の出
力電圧と積分した出力電圧との差が、画素ごとに順次信
号後処理回路で増幅され出力される。各積分回路部のオ
フセット電圧はバラツキにより、積分回路部で異なった
ものになるのだが、オフセット電圧と等しいリセット状
態の出力電圧と積分した出力電圧との差をとることでオ
フセット電圧がキャンセルされる。

【００１０】積分回路部が一斉に所定の時間リセット状
態から電流を積分する場合、すべてのフォトダイオード
の検出出力の蓄積時間を常にほぼ一定にすることができ
るので、各画素の感度を揃えることができる。

【００１１】積分回路部のコンデンサが電極で絶縁体を
挟みこむ構造である場合、容量の電圧依存性が小さく、
積分回路部の良好なリニアリティを保ち得る。

【００１２】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明による固体撮像装置の一実施例について
その回路構成を示したもので、ｎ個の画素をもつ１次元
イメージセンサの構成例である。フォトダイオードＤ₁
〜Ｄ_n は、アレイ状に配置され、受光部を構成してい
る。これらのカソードは電源電圧Ｖddにバイアスしてい
る。積分回路部１１０₁ 〜１１０_n は、各フォトダイオ
ードＤ₁ 〜Ｄ_n ごとに設けられており、フォトダイオー
ドＤ₁ 〜Ｄ_n の検出電流を積分器のリセット状態から積
分して電圧としてそれぞれ出力する。各積分回路部の出
力は、アレイ状に配置されたスイッチ（ＦＥＴによる）
Ｓ２₁ 〜Ｓ２_n を介して一本の出力信号用の配線（ビデ
オライン）１２０に接続されている。シフトレジスタ１
３０は、クロック信号clk に応じてビデオライン１２０
にアクセスする積分回路部１１０₁ 〜１１０_n をスキャ
ンして選択するための信号Ｑ₁ 〜Ｑ_n を出力するための
ものである。

【００１３】ビデオライン１２０には、蓄積容量Ｃαを
介して反転アンプＡ0 に接続されている。このアンプＡ
0 には帰還容量Ｃβ、およびそれに並列にリセット用の
スイッチＳc が、各々接続されている。これらによっ
て、積分回路部のリセット状態の出力電圧と積分した出
力電圧との差を増幅して出力する信号後処理回路が構成
される。

【００１４】積分回路部１１０₁ は、反転アンプＡ₁ 及
び反転アンプＡ₁ の入出力に接続された積分容量Ｃｆに
よる積分器と、接続を制御するスイッチ（ＦＥＴによ
る）Ｓ１₁ ，Ｓａ₁ ，Ｓｂ₁ とで構成される。ここで、
積分容量Ｃｆは、絶縁物をポリシリコン、もしくはアル
ミなどで挟み込むような構造としている。この構造とし
ては、具体的に、例えば、ＭＯＳプロセスで一般的な二
層ポリシリコン配線を利用して、その間に絶縁物を挟み
込む構造などがある。容量Ｃα，Ｃβについても同様の
構造を持つ。

【００１５】スイッチＳ１₁ は、フォトダイオードＤ₁
から積分器への入力接続を制御するためのもので、信号
ｐｄがハイの時オンになる。スイッチＳａ₁ ，Ｓｂ
₁ は、積分容量Ｃｆを短絡して積分器のリセットを行な
うためのもので、リセット信号reset ，ＡＮＤゲート１
１２₁ の出力がハイの時オンになる。ＡＮＤゲート１１
２₁ は、スイッチＳｂ₁ を制御するためのもので、片側
の入力には全アレイに共通の信号ＰＲＳＴが印加され、
反対側は、シフトレジスタの信号がそのまま入力され
る。

【００１６】積分回路部１１０₂ 〜１１０_n も積分回路
部１１０₁ と同じ構成を有する。区別のため異なった添
字としているが符号が同じであれば同じものである。

【００１７】つぎに、図２のタイミングチャートを使っ
て動作例を説明する。

【００１８】最初の状態Ｔ₀ では、信号reset （図２
（ａ））、信号ｐｄ（図２（ｂ））がハイになってい
る。積分器をリセットするスイッチＳａ₁ 〜Ｓａ_n 全て
がオンであり、さらに各フォトダイオードＤ₁ 〜Ｄ_n と
積分器を接続するスイッチＳ１₁〜Ｓ１_n も全てオンで
ある。また、シフトレジスタ１３０の各出力Ｑ₁ （図２
（ｆ）），Ｑ₂ （図２（ｇ））〜Ｑ_n がローになってお
り、選択用のスイッチＳ２₁ 〜Ｓ２_n は全てオフであ
る。全ての積分回路部１１０₁ 〜１１０_n はリセット状
態に固定されているが、ビデオライン１２０には積分回
路部１１０₁ 〜１１０_n からの出力はオフになってい
る。

【００１９】信号reset がＬとなって積分器のリセット
が解除された瞬間から積分回路部１１０₁ 〜１１０_n の
積分動作が開始する。フォトダイオードの光電流成分の
容量Ｃｆへの蓄積が始まり、光の強度が強いもの程、積
分器Ａ₁ 〜Ａ_n の出力電圧（図２（ｄ））が低下する。
そして、積分動作開始して期間Ｔ₁ の経過後、信号ｐｄ
がＬとなり、積分動作が終了する。フォトダイオードと
積分器を接続するスイッチＳ１₁ 〜Ｓ１_n が共にオフと
なり、この時光電流の蓄積が停止する。以後そのままの
状態が次の積分器のリセット即ち信号reset がハイにな
るまで保持される。

【００２０】この時の積分器の出力電圧は、オフセット
を無視すると、 Ｖ＝Ｉsh×ｔ／Ｃｆ （Ｉshはフォトダイオードからの光電流、ｔは蓄積時間
Ｔ₁ 、Ｃｊはフォトダイオード接合容量である）で示さ
れ、容量Ｃｆで光電流を積分した電圧値になる。

【００２１】ここで、積分器の帰還容量Ｃｆとして、絶
縁物をポリシリコン、もしくはアルミなどで挟み込むよ
うな構造としているので、この帰還容量Ｃｆは電圧依存
性がなく、十分なリニアリティを保つことができること
である。さらに、このような絶縁物構造はバラツキが非
常に少ないので、積分器間での感度のばらつきが発生し
難く、光電流Ｉshが等しければ積分回路部１１０₁ 〜１
１０_n の出力がほぼ等しいものになる。

【００２２】続いて、シフトレジスタに起動信号ｓｐが
印加されると、各積分回路部１１０₁ 〜１１０_n からの
読みだし動作が開始する（期間Ｔ₂ ）。クロック信号cl
k に同期して順次シフトレジスタ１３０の各出力Ｑ₁ 〜
Ｑ_n がハイになり（図２（ｆ），（ｇ））、各選択用の
スイッチＳ２₁ 〜Ｓ２_n が順にオンになる。スキャンさ
れた積分器からの出力信号がビデオライン１２０に現れ
る。

【００２３】シフトレジスタ１３０の各出力Ｑ₁ 〜Ｑ_n
がハイになった当初は、信号rst はハイに、信号prstは
ローになっている。この時、信号後処理回路のアンプＡ
0 のリセット用のスイッチＳｃはオンであり、信号後処
理回路はリセット状態にある。ビデオライン１２０に接
続された容量Ｃαには、選択された信号後処理回路の出
力に応じた電荷が蓄えられる。

【００２４】容量Ｃαに電荷が蓄えられた後、信号rst
はローに、信号prstはハイになる（図２（ｈ），
（ｉ））。各積分器の補助リセット用のスイッチＳｂ₁
〜Ｓｂ_nのうち、シフトレジスタにより選択されたもの
（出力Ｑ₁ 〜Ｑ_n がハイのもの）のみが各ＡＮＤゲート
を介して信号prstが出力される。そのため、スイッチＳ
ｂ₁ 〜Ｓｂ_n のうちスイッチだけがオンになり、その選
択された積分器のみがリセットされる。同時に、後処理
回路のリセット状態が解除され、後処理回路の出力Ｖou
t は、容量Ｃαの両端の電圧にリセットされた積分回路
部の出力が加わった電圧が現れる。図２（ｊ）は、フォ
トダイオードＤ₁ 〜Ｄ_n への光量が順に多くなった場合
の出力例である。

【００２５】この出力Ｖout は、積分器のオフセット電
圧分を相殺した純粋な光電流を蓄積した分だけの電圧に
なる。これは、後処理回路のリセット状態と解除状態に
おいて、容量Ｃαと容量Ｃβの間で電荷保存則が次の式
のように成り立つからである（左辺はリセット状態、右
辺は解除状態、ここで、Ｖi （＝Ｉsh×ｔ／Ｃｆ）はオ
フセットを無視した積分器の出力電圧、Ｖoff は積分器
のオフセット電圧である）。

【００２６】 Ｃα×（Ｖi ＋Ｖoff ）＝Ｃα×Ｖoff ＋Ｃβ×Ｖout すなわち「Ｃα×Ｖi ＝Ｃβ×Ｖout 」であり、もしＣ
α＝Ｃβならば「Ｖi ＝Ｖout 」になる。

【００２７】積分器のオフセット電圧は、バラツキによ
り各積分器で異なった値になるが、後処理回路でキャン
セルされ、出力Ｖout は純粋な光電流の蓄積電圧が現れ
る。そして、すべての積分回路部１１０₁ 〜１１０_n か
らの出力をさせた後（期間Ｔ₂ 経過後）、再び期間Ｔ₀
からの動作を繰り返す。

【００２８】つぎに、本発明による固体撮像装置の利点
を他のものとの比較において説明する。

【００２９】固体撮像装置には、フォトダイオードの接
合容量Ｃj に蓄えられた電荷をソースフォロワにより読
み出すタイプのものがある。このタイプのものでは、フ
ォトダイオードからの光電流Ｉsh，蓄積時間ｔを用いて
出力電圧は「Ｖout ＝Ｉsh×ｔ／Ｃj 」で表される。

【００３０】密着型イメージセンサは、フォトダイオー
ド部が大面積であるため、感度も十分に嫁げるように考
えられがちであるが、実際には面積に比例してＣｊも大
きくなる。そのため、このタイプのものでは感度をそれ
ほど大きくすることができない。光源であるＬＥＤの光
量を大きくせねばならず、この点が全体の消費電力を引
き上げるという問題点が生じる。

【００３１】しかし、本発明による固体撮像装置では、
フォトダイオードＤ₁ 〜Ｄ_n で生じる光電荷を直接積分
器の帰還容量Ｃｆに蓄積するので、フォトダイオードの
接合容量Ｃj よりも容量Ｃｆに蓄積することで、感度を
高くできる。容量Ｃｆは前述の構造を持つので所望の容
量にコントロールすることは可能であり、また、フォト
ダイオードの接合容量に左右されることが無い。

【００３２】前述のタイプのものでは、感度はフォトダ
イオード接合容量Ｃｊの影響を大きく受けるうえに、接
合容量Ｃｊそのものが電圧依存性を持つ。ｐｎ接合の端
子電圧は光量と共に電荷が蓄積されて変化し、空乏層厚
みも変化し、接合容量Ｃｊに変化をもたらす。接合容量
Ｃｊの変化に伴い、感度が変化する。即ち光電流Ｉshに
対して出力電圧Ｖout が比例したものにならないのであ
る。従って、リニアリティを保てない、接合容量は各フ
ォトダイオードによってぱらつくので、感度の素子間に
バラツキが発生する、という、センサ素子としては致命
的な問題が発生する。この点に付いては、積分器の積分
容量Ｃｆをｐｎ接合で形成しても事情は同じである。

【００３３】これに対して本発明による固体撮像装置で
は、積分器の積分容量Ｃｆはポリシリコンなどで絶縁物
を挟んだ前述の構造で形成されているので、基本的にＣ
ｆは電圧依存性がないので、リニアリティを良好に保て
る。そのうえ、ｐｎ接合による容量よりもバラツキはは
るかに小さいので、積分器間の出力のバラツキを抑える
ことができる。容量Ｃα，Ｃβについても同様であり、
信号後処理回路のリニアリティを良好に保っている。

【００３４】前述のタイプのものでは、ソースフォロワ
回路の出力電圧Ｖout は、入力されるフォトダイオード
の端子電圧Ｖinとスレショールド電圧Ｖthの差になる。
このスレショールド電圧Ｖthは各ソースフォロワ回路に
よって、構成するＦＥＴの間でバラツキが生じる。ま
た、従来技術の項でのべたように各フォトダイオードに
積分器を接続するタイプのものでも、オフセット電圧に
バラツキを生じる。このため、各画素毎に出力電圧Ｖou
t が異なり、これをＡ／Ｄ変換の後にメモリなどで補正
する必要があり大きな問題があった。

【００３５】しかし、本発明による固体撮像装置では、
上述したように、積分器のオフセット電圧はキャンセル
され、積分器間のオフセット電圧のバラツキは除去さ
れ、純粋な光電流の積分電圧のみを観測することができ
る。

【００３６】さらに、本発明による固体撮像装置では、
フォトダイオード部とそれ以外の部分を別体構造にする
ことにより、飛躍的に歩留りを向上することができる。
例えば、図３のようにフォトダイオードＤ₁ 〜Ｄ_n から
なるフォトダイオードアレイ１０２と、それ以外の全回
路（積分回路部１１０₁ 〜１１０_n や信号後処理回路な
ど）の部分１０３を別体で構成することが可能である。

【００３７】一般に、密着型イメージセンサでは、フォ
トダイオードサイズは１ｍｍ□程度以上大きなサイズが
使われるが、本発明のフォトダイオード以外の部分はご
く一般的な２μｍルール程度のＣＭＯＳルールを適用す
れば２００μｍ□程度の大きさに収められる。そこでフ
ォトダイオード以外の部分を切り離し、できるだけ集積
する。これは、従来の方式でも可能であるが、従来の方
式では感度のばらつきがますます大きくなってしまう。
この場合、フォトダイオードと回路部を結ぶ接続線の寄
生容量Ｃｐがそのまま次式のように感度に影響するから
である。 Ｖｏ＝Ｉsh×ｔ／（Ｃｊ＋Ｃｐ） これに較べ、本発明の方式では、あくまでもフォトダイ
オード電荷は、フォトダイオードの接合容量Ｃｊや寄生
容量Ｃｐに関わりなく、積分器の積分容量Ｃｆだけに蓄
積されるのでこのようなバラツキは生じない。

【００３８】このように、フォトダイオードはフォトダ
イオードだけを、またそれ以外の能動回路だけを集積し
て歩留りの追及をすることができるので製造コストを著
しく削減できることは言うまでもない。

【００３９】上述の実施例は、積分回路部１１０₁ 〜１
１０_n が同時に積分動作をし、順次読み出される、とい
う場合について示したものであるが、積分回路部１１０
₁ 〜１１０_n が順次積分動作を開始し、順次読み出され
る、という構成も可能である。

【００４０】図４はその場合の回路構成を、図５はその
タイミングチャートを示したものである。これらの図に
おいて、同一の符号のものは、前述の図１，２のものと
同一のものを示している。

【００４１】図４の装置では、クロックｃｌｋごとにシ
フトレジスタの出力Ｑ₁ 〜Ｑ_n は順次ハイとなる（この
点については図１と同じ）。積分回路部１１０₁ 〜１１
０_nのうち、ハイとなったシフトレジスタの出力に対応
するものが読み出され、他のものは、積分動作状態とな
っている。

【００４２】図４の期間Ｔ₁ ，Ｔ₂ の部分は、積分回路
部１１０₁ ，１１０₂ の読み出しがなされる期間を示し
ている。読み出し動作は、前述の実施例と同じであり、
信号ｒｓｔ，ＰＲＳＴにより信号後処理回路、積分回路
部のリセットが制御される。

【００４３】このようにすることで、積分動作の時間を
長くとることができ、また制御は比較的楽なものにな
る。

【００４４】本発明は前述の実施例に限らず様々な変形
が可能である。

【００４５】積分器のリセットについては、図１のよう
なスイッチＳａ，Ｓｂ及びＡＮＤゲート１１２で構成し
たが（添字略）、ＡＮＤゲート１１２及びスイッチＳｂ
にかえて、直列の２つのスイッチを積分容量Ｃｆの両端
につなぐようにしても等価である。或いは、スイッチＳ
ｂにかえて、ＡＮＤゲート１１２の出力をリセット信号
reset とともにＯＲゲートを介して与えるようにしても
良い。

【００４６】また、積分容量Ｃｆは、誤差が許容される
範囲内であれば、ｐｎ接合によるものなどを、上記構造
のものに並列にして複数種類設けても構わない。

【００４７】

【発明の効果】以上の通り本発明の固体撮像素子によれ
ば、オフセット電圧と等しいリセット状態の出力電圧と
積分した出力電圧との差をとることでオフセット電圧が
キャンセルされるので、オフセット電圧による成分が抑
えられた良好な出力信号を各画素について得ることがで
きる。

【００４８】積分回路部が一斉に所定の時間電流を積分
する場合、各画素の感度を揃えることができるので、ム
ラのない良好な出力を得ることができる。また、積分回
路部のコンデンサが電極を絶縁体で挟みこむ構造である
場合、積分回路部の良好なリニアリティを保ち得るの
で、直線性の良い良好な出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による固体撮像装置の一実施例の回路構
成図。

【図２】図１の回路のタイミングチャート。

【図３】本発明による固体撮像装置の一実施例の回路構
成図。

【図４】本発明による固体撮像装置の第二実施例の回路
構成図。

【図５】図４の回路のタイミングチャート。

【符号の説明】

１１０₁ 〜１１０_n …積分回路部、１３０…シフトレジ
スタ、Ａ0 …増幅器、Ｃα，Ｃβ，Ｃｆ₁ 〜_n …コンデ
ンサ、Ｄ₁ 〜Ｄ_n …フォトダイオード、Ｓ１₁〜Ｓ
１_n ，Ｓ２₁ 〜Ｓ２_n ，Ｓａ₁ 〜Ｓａ_n ，Ｓｂ₁ 〜Ｓｂ
_n …スイッチ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体からの光を画素ごとに電流に変換
   する複数のフォトダイオードと、 前記フォトダイオードごとに設けられ、リセット状態か
   ら前記電流を積分して電圧として出力する複数の積分回
   路部と、 前記積分回路部のリセット状態の出力電圧と積分した出
   力電圧との差を増幅して出力する信号後処理回路と、 前記積分回路部の出力を順次選択し、前記信号後処理回
   路に出力するとともに前記積分回路部をリセットする制
   御回路部とを備える固体撮像素子。
2. 【請求項２】 前記制御回路部は、前記積分回路部が一
   斉に所定の時間リセット状態から前記電流を積分した
   後、前記積分回路部の積分した電圧を順次選択し、前記
   信号後処理回路に出力することを特徴とする請求項１記
   載の固体撮像素子。
3. 【請求項３】 前記積分回路部は前記電流を積分するた
   めのコンデンサを有し、このコンデンサは電極で絶縁体
   を挟みこむ構造を有することを特徴とする請求項１記載
   の固体撮像素子。